1. 陶土板准备
一个安装好的5bar的陶土板随系统提供。在使用之前，陶土板应该饱和大约8个小时。也建议在测试之间，保持陶土板饱和。重复的快速的烘干和变湿可能损坏环氧接触的陶器。如果要求额外的陶土板，可以从GCTS 订购安装好或者没有安装好的陶土板。当订购没有安装好的陶土板时，支撑环和环氧工具也应该订购。根据下边的过程，把陶土板粘到环中。
1.1 安装陶土板
图4 安装陶土板
（1）使用胶带把陶土板的顶部和底部缠绕，但周长不缠绕。使用小刀切掉多余的胶带。图5显示了部分粘贴过程。
（2）使用胶带缠绕环，除了内表面，陶土板需要粘贴到这里。
（3）把环和陶土板放到平的工作台上的一张纸上。
（4）拌合足量的环氧和硬化剂，通常按1：1的比例，注意拌合过程中不要形成多余的气泡。在使用之前，让环氧混合物硬化5到10分钟。
（5）使用摸刀（或者类似的工具）在陶土板周长上摸一些环氧，然后把陶土板轻轻地放到纸上。
（6）在环的内表面上摸一些环氧，然后把环套在陶土板上。需要轻轻放置环，使环与陶土板之间的间隙在各处都有。同时，环的斜面应该在下边。
（7）检查间隙，这时，间隙应该充满环氧。如果存在气泡，使用针扎去掉气泡。如果需要的话，加入更多的环氧。如果气泡不能完全被去掉，快速分开环和陶土板，重新粘。
（8）使用纸片或者塑料片去掉陶土板和环上多余的环氧，不要扰动环和陶土板。
（9）让环和陶土板硬化一个晚上。
（10）一旦环氧硬化，小心地去掉胶带，不要损坏陶土板。
（11）把粘好的陶土板放置到软化水中24个小时，使其饱和。
（12）从水中拿出陶土板，去掉多余的胶带，并存储。
1.2 陶土板的饱和
陶土板是亲水材料，因此，很容易饱和。如果陶土板是干的，把它放到水中一个晚上。在使用仪器之前，从水中拿出陶土板，擦干环，轻轻地抹干陶土板的顶部和底部的多余的水，使其达到饱和干表面（SSD）条件。然后称取陶土板重量。
2. 试样准备
2.1非扰动试样
在测试之前，从现场获得的取样应该被小心地推入薄壁不锈钢或者铜环，如下步骤进行：
（1）使用液压千斤顶部分地推出试样。在试样推出过程中，要求使用金属板和垫圈。一般地，SWCC试样高度是25mm，因此，推出试样长度为30mm是合适的。
（2）把试样环放到推出土壤的顶部，通过金属板并把环垂直压入土壤中，直到环满了。取样管的内径应该等于或者大于试样环的内径。小直径土壤试样环也可以用于精细土。当土壤中包含沙粒尺寸的颗粒，最好使用与取样管同一尺寸的试样环，能够移动完整的圆柱土试样。
（3）把充满土的试样环和取样管分离，并抹平两端。
（4）如果测量干SWCC曲线，请把试样放置到一个铺有滤纸的透水石上，并放置到容器中。在容器中加入软化水，直到水面低于试样顶部2mm的地方。这样，试样就从底部开始饱和。不要完全浸没整个试样，因为这可能阻碍试样中残余气泡的释放。在饱和过程中，最好在试样顶部放置一个小的配重。然而，如果试样时高膨胀性的，在测试之前，膨胀出来的土应该被刮掉。在准备试样时，也有可能使用一个垫圈，因此，试样应该略微薄于钢环。
（5）如果想获得湿SWCC曲线，试样就直接固定在仪器上进行测试。
（6）如果测试或者饱和没有立即进行，试样应该适当保存，避免湿气溢出。
2.2 扰动试样
在现场采集的扰动试样重新放置在环中（如，压实），来准备SWCC测试。只有通过4号筛（4.75mm）的土壤才能在这个过程中使用：
（1）测定土壤的干密度（γd），相对密度（Gs）和颗粒尺寸分布（GSD）。
（2）估计或测量土壤的相对密度，Gs。4号以上和4号以下材料可以假想为相同。
（3）假想土壤块的4号以上材料并不对SWCC的空气进入值和残余状况有十分重大的影响。这可能是不真实的，然而，当处理粒状土壤或者伴有很多4号以上材料的土壤时，这是一个非常合理的设想。
（4）考虑1m3的土壤，进行表2中列举出的计算。
（5）称取4号以下材料的重量，M。如果土壤是潮湿的，计算试样的湿重。把土壤在环中匀称压实。如果试样相当的干，有必要填大约2%到5%的水，来方便压实。
（6）进行4.1节中描述的过程的最后三步。
表2 土的干重量的计算
计算 |
符号 |
公式 |
注释 |
4号以下材料重量 |
M1 |
M1=γd×P4 |
P4是通过4号筛的百分比 |
4号以上材料重量 |
M2 |
M2=γd×（1-P4） |
|
4号以上材料体积 |
V2 |
V2= M2/（Gs×γw） |
γw是单位水的重量 |
4号以下材料体积 |
V1 |
V1=1- V2 |
|
现场4号以下材料干密度 |
γd1 |
= M1/ V1 |
|
环中4号以下材料干重量，给定了密度为γd1 |
M |
M=γd1×Vring |
Vring是环的体积 |
3. 土壤试样的饱和
4. SWCC测试过程
在开始SWCC测试之前，测量初始的干密度，含水量，颗粒尺寸分布，塑性指标和相对密度是非常有用的。颗粒尺寸分布和塑性指标测试可以帮助识别土壤类型和使用图8种给定曲线族。相对密度用来计算试样的饱和度。一旦试样准备好测试，按照下边给定的测试步骤：
（1）选择一个干玻璃板（大约10cm×10cm），并记录重量。
（2）如果测量“吸湿”SWCC曲线，把试样放到玻璃板上，然后直接到步骤6。（也可能选择其他的测试过程，这种情况下，整个土壤试样先干躁，然后修整来适合围压环）。
（3）如果测量“排湿”SWCC曲线，试样应该按第5节描述的步骤来饱和。从水中拿出饱和的试样，把去掉透水石和滤纸的试样放置到玻璃板上。
（4）让试样在玻璃板上排出多余的水分。用毛巾擦掉多余的水分。
（5）排干玻璃般和环外边的水。
（6）称取试样和玻璃板重量。
（7）选择最合适的陶土板，从水中取出，把按照3.2节描述擦掉多余的水。称取陶土板重量。使用表3选择陶土板。
表3 陶土板的选择
土壤类型 |
陶土板选择 |
沙土 |
1bar |
粉沙土，粘沙土 |
2 bar |
沙泥土，沙粘土 |
5 bar |
粘土 |
10 bar |
（8）把试样放到陶土板上。确保试样正好位于陶土板的中央，称取陶土板和试样的重量。
（9）清理O型圈和SWCC容器表面。确保表面没有粗沙或者其他的杂质是非常重要的。把O型圈放入底板和容器壁的凹槽中。
（10）把管插入位于仪器一侧2个快速接头（图7），水体变管和容器底板连接在一起。注意，当把管插入快速接头时，把管一直插到底。当断开连接时，按住快速接头的外环，然后把管拉出来。如果管中有压力，断开连接前，先释放压力。
（11）在容器底部加一些水，使陶土板外环湿润。打开每个体变管底部的阀门和底板的阀门，轻轻地按陶土板和试样，使其进入底板的凹处。当进行这一步时，体变管仲的水会上升。
（12）把加载板放到试样的中央。加载轴的底部通过一个螺丝连接到加载板上。然而，对于SWCC测试，没有必要连接加载板和加载轴。
（13）把圆环固定器和容器壁安装在底座上，确保带有O型圈的容器壁安装合适，避免空气泄漏。（参考图3来识别部件）。
（14）按以下步骤安装顶板，压环，补偿体，补偿帽和加载轴：
a) 在顶板中间孔中插入O型圈。
b) 把压环拧到顶板上。在压环顶上有两个放置扳手的平面。使用活扳手轻轻地紧固压环，使O型圈被压缩。
c) 在补偿体中插入加载轴，使轴中间围绕脊状的O型圈位置合适，并且使用O型环润滑剂润滑。
d) 把加载轴的底部通过压环插入到容器中。必须使用很轻的力，因为加载轴必须通过压环。
e) 如果压环不是足够紧，加载轴将自动下滑。这种情况，在施压气压时，容器可能气密性不好。换句话说，如果压环太紧，可能会产生额外的摩擦。应该避免上边提到的两种情况，要求好的气密性和低摩擦。通过一些实验和错误步骤就能得到正确的条件。
f) 使用4个螺丝把补偿体安装在顶板上。
g) 现在，可以从补偿体的顶部看到加载轴的顶部。沿着加载轴滑动O型圈操补偿体顶部的凹处。
h) 使用4个螺丝，连接补偿帽到补偿体的顶部。
（15）把容器壁上的安装件小心地放置到位于O型环上方的顶板的合适的位置。
（16）把配重板和配重针连接到加载轴上，来放置配重。如果使用加载架来施加载荷，就不需要配重针了。参考第8节加载架。
（17）通过紧固4个4.5英寸长插头帽螺丝（SHCS），顶板和底板固定在一起，使容器密封。
（18）用0.25英寸粗的塑料管连接位于压力控制面板后方的一个快速插头到气压源，第二个快速插头和阀门使用来给加载架提供气源。如果不使用加载架，请保持关闭这个阀门。
（19）通过位于面板坐上角的开口，给左体变管加入软化水（图7中的Opening L）。水会流进右侧的体变管，并把一些憋住的空气推入底部。当两个管充一半水时，停止注水。
（20）使用冲刷装置（球泵）来驱逐在底部残留的空气。把球泵头插入左开口处，然后压泵。注意不要让水进入底板或者从右开口处溢出水。重复冲刷过程，改变水的体积，直到没有气泡出现。
（21）水柱在几分钟之内将会相等。记录两个管的初始体积读数、时间和日期。如果需要的话，可以添加一些水来增加水位。
图6 底板和体变管
（22）选择要施加的目标压力。例如，对于粒状土，合适的目标压力应该是5，10，20，50，100和500 kPa；如果是精细颗粒土，目标压力应该是10，20，100，500，和1400kPa。目标压力的选择应该这样：选择的压力能够提供宽的土壤的吸力值和饱和度的分布。最好饱和度间于0.10和0.90之间。
（23）如果土壤的索引性质可以使用，下边的步骤将用来测量土壤的目标压力。
（24）如果土壤是粒状的，从颗粒尺寸分布测量D60值；如果土壤是精细颗粒的，测量Weighted PI（wPI）。
注意：
D60=代表60%通过颗粒尺寸分布曲线的土壤颗粒直径
wPI=（通过200号筛子的百分比，以小数表示）×（塑性指标）
（25）根据D60和wPI，在图8中选择对应的SWCC曲线，这里D60曲线分别代表1.0，0.9，0.8，0.7，0.6，0.5，0.4，0.3，0.2和0.1mm，wPI曲线分别代表0.1，3，5，10，15，20，30，40，和50。
注意：
a) 不可能覆盖精细颗粒和全部范围，因为实际曲线可能超过1500kPa的限制
b) 对于精细土壤，全部的SWCC曲线可以通过合并这里描述的测试方法和其他的方法来获得。
c) 在图8的曲线中，根据Arizona State University进行的进一步研究得到的一套等式可以用来获得土壤的SWCC。这些等式在后边参考。
图7 SWCC曲线族，Zapata，1999年
（26）选择目标压力值（如矩阵吸力）对应饱和度的整个范围。
（27）系统现在准备好了，可以施加第一个选择的压力。使用控制面板中央的HIGH/LOW阀，选择要使用的高低压力计。根据应用的压力，把阀门切换到LOW或者HIGH。使用对应的调节阀来施加容器内的压力。
（28）施加第一个压力增量到容器内。顶板上的压力补偿器将自动补偿从容器内施加在活塞上的压力。
（29）下一步是补偿加载轴和O型圈之间的摩擦。把加载轴升高，然后在配重板上添加一些配重，直到加载轴缓慢的向下移动，或者轻微接触就能移动。这一步结束后，加载轴就应该坐在试样上的加载板上。
（30）把额外的重量加在配重板上来模拟想要的总应力。总应力应该是过载压力。这种情况下，过载压力应该可以根据采样深度乘以密度来计算。
过载压力（P）=现场密度×深度
要施加的过载荷载=（过载压力）×加载板面积
（31）检查系统是否有空气泄漏。在测试过程中没有泄露是非常重要的。特别检查容器壁底部的O型圈和顶部的O型圈的四周。使用肥皂水可以检查是否泄漏。如果有泄露，需要重新安装。
（32）使用一对弹簧卡尺和一个游标卡尺测量容器顶板顶部到加载板底部之间的距离（高度测量，h），参考图9。
图8 高度测量
（33）让系统平衡一下，根据记录时间来记录水体积变化读数。测试可能需要进行几天。在冲刷扩散空气前后，记录读数。考虑达到平衡后，当体积读数不再发生明显变化（如，大约1个分度）时，如1bar或者3bar陶土板经过6个小时，5bar或者15bar陶土板经过24个小时，系统可以进行下一步的增压。平衡要求的时间是土壤类型和陶土板进气值得一个函数。注意，高塑性土需要更长的平衡时间。
（34）在施加下一个压力增量之前，记录高度测量结果。最好每次记录水体变读数时，同时记录试样高度。旋转面板上的调节旋钮来增加压力。压力范围在1到200kPa，使用LOW压力计/调节器；压力范围在200到1500kPa，使用HIGN压力计/调节器。
（35）对于剩余的压力增量，重复相同的过程。
（36）最后一个增量结束后，记录读数（如水体变和试样高度），去掉配重，释放压力，断开仪器，把试样取出。
警告：在释放压力之前，不要拆除容器！
（37）记录潮湿试样的重量，并把试样放到烘箱中。在110℃下烘干试样至少24小时，记录干重量。
图9 去掉陶土板
（38）下边的过程（参考图10）可以用来从压力容器底办上去掉陶土板：
a) 断开底板的一根管（图10中的位置A），连接气压力源，并打开阀门。
b) 关闭底板另一侧的阀门（位置B）。
c) 在底板慢慢地施加压力，用手掌压住陶土板。
d) 陶土板应该在压力5到10kPa下蹦出来。注意，不要在陶土板地下施加太大的压力，因为它很容易裂缝。
（39）使陶土板饱和，使表面干燥，并记录他的重量。陶土板的初始重量和最终重量的差表示在测试过程中是否有水从陶土板被吸收或者释放。如果差值非常大，体积读数需要调整。
（40）一旦得到土壤的干重量，计算土壤中初始的水量，初始的水含量，初始的干密度和初始的饱和度。
（41）使用初始数据，计算每个增量的释放的水量，水含量，试样高度，试样体积，干密度，和饱和度。
（42）使用烘箱烘干的重量来计算试样结束时的土壤试样的含水量。也可以计算相对应的饱和度。比较这个饱和度和上一个数据点的对应的饱和度。
（43）上边的比较提供一个测试的核查。如果两个饱和度接近，那么结果是精确的。实验结束时的饱和度的不协调可能与测试过程中的错误有关，如空气泄漏，不正确的数据输入，测试过程中土壤的流失，或者土壤的收缩。
5. 水体变管的标定
从水体变管得到的测量结果是以毫米为单位的线性结果。这些线性结果可以转化一个重量的标定系数α，可以由下面得到：
（1）给水体变管充水，并关闭阀门。记录水的体积读数X1。
（2）打开底部阀门，排出大约100mm的水到一个容器中，记录水体变管读数X2。
（3）称取采集水的重量W，克为单位。
（4）计算标定系数α，按照公式：α=W/（X1-X2）
（5）使用α来计算在SWCC测试过程中释放或者吸收的水量。例如，如果初始和最终体变管读数差是ΔX，对应的水的重量应该是（ΔX）×（α）。
6. 加载架
加载架可以施加载荷到10kN，包括一个气动加载器，一个压力计和一个压力控制器。下边的过程介绍加载架的使用过程：
（1）用一根管子从控制面板后边的快速接头连接到加载器顶部的快速接头，连接压力源到加载架。看图11，从位置A到位置B。
（2）打开与快速接头A相连的阀门，使用调节旋钮增加压力。加载器底部的加载活塞将向下移动并接触到加载板。注意：慢慢旋转调节旋钮，避免加载活塞突然接触到加载板。
（3）读压力计读数，并且使用表4计算对应的载荷。表4中的值是基于气动加载器的内部横断面积的。为了得到施加在试样上的垂直压力，荷载F除以试样板的面积。
（4）为了卸载，先使用调节旋钮减小压力。当压力值达到0，加载活塞应该向上移动。如果活塞依然接触在加载板上，协助它向上移动。
警告：任何时候都不要把手指放到加载板和活塞之间。
表4 气动加载器的压力-荷载关系
压力/P |
荷载/F |
Psi |
kPa |
Lbf |
Kg |
N |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
10 |
69 |
160 |
73 |
712 |
20 |
138 |
320 |
145 |
1423 |
30 |
207 |
480 |
218 |
2135 |
40 |
276 |
640 |
290 |
2847 |
50 |
345 |
800 |
363 |
3559 |
60 |
414 |
960 |
435 |
4270 |
70 |
483 |
1120 |
508 |
4982 |
80 |
552 |
1280 |
581 |
5694 |
90 |
621 |
1440 |
653 |
6405 |
100 |
689 |
1600 |
726 |
7117 |
110 |
758 |
1760 |
798 |
7829 |
120 |
827 |
1920 |
871 |
8541 |
130 |
896 |
2080 |
943 |
9252 |
140 |
965 |
2240 |
1016 |
9964 |
150 |
1034 |
2400 |
1089 |
10676 |
图10使用加载架
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